超大型烟气轮机涡轮盘国产化研制(科大)

超大型烟气轮机涡轮盘国产化研制北京科技大学高温材料及应用研究室兰州石化分公司兰州石油化工公司机械厂中国石化工程建设公司一、意义烟气轮机是应用在炼油厂催化裂化能量回收系统的主要机械设备，它的使用不仅可以大幅度降低装置的能耗，取得可观的经济效益，还可以有效降低催化剂粉尘排放，减少对环境的污染。

自我国首台烟气轮机在兰州石油化工公司机械厂研制成功，并经过三十多年的不懈努力和创新，烟气轮机已经成为了中石油具有自主知识产权的知名品牌，享有较高的声誉，也获得了国家和石油系统的大量褒奖。

美国Conmex公司的FEX-142为现今世界上功率最大的烟气轮机，功率为37300kw，入口温度760°C，膨胀比为3.4。

国产特大功率烟气轮机的发展是近几年的事，1997－2000年20000kw的单、双级烟气轮机随着2000kt/a重油催化裂化装置的建成而投入运行。

随着3000kt/a重油催化裂化装置的建设，需要30000kw级特大功率的烟气轮机。

作为“十五”国家重大技术装备研制项目，我国自行设计制造了YL33000A 型单级烟气轮机，功率为33000kW，标况流量6166m3/min、入口温度700℃、膨胀比3.87、入口压力0.353MPa、涡轮盘直径φ1380mm，于2003年在兰州石化300万吨/ 年重催装置成功投入运行。

这是世界上最大的烟气轮机之一，保证了我国炼油“大型化”催化裂化工业技术的实现，标志着我国成为继美国之后第二个有能力自主开发研制特大型烟机的国家。

但遗憾的是，当时由于受冶炼和锻造等条件的限制，我国无法生产如此尺寸的涡轮盘，这台烟机的涡轮盘毛坯只能从国外进口。

随后我国设计生产的几台特大型烟机涡轮盘都是从美国进口。

涡轮盘进口过程异常复杂，一件毛坯600多万人民币，交货期长达一年多，技术等条件的谈判也很困难。

尤其在当前的国际形势下，大型高温合金涡轮盘是敏感的坯料（高温合金大多用在军工方面，因此进出口会受到发达国家政府的关注），往往限制出口。

随着我国能源需求的增加和能源战略的调整，中石油以及中石化、中海油将有十多座千万吨级炼厂相继建设并投产，海外加工原油和中东地区国家的炼油厂工程项目也在增加，将为特大型烟机提供很好的市场机遇。

但是，这些很可能会引起西方国家的关注，一旦超大涡轮盘受到出口限制，我国在特大型烟机制造方面便即刻无能为力，不仅影响海外能源市场，国内烟机所需的大型涡轮盘进口也将受到牵连，甚至存在限制出口而国内无法组织生产大型烟机的极大风险，对国内和海外能源市场会带来严重的后果。

因此，尽快攻克我国自行生产超大烟机涡轮盘的难题，获得制备过程的全部技术和生产能力，彻底摆脱受制于人的局面，是非常迫切的，这项工作具有重要的政治和经济意义。

涡轮盘是烟机中连接叶片和主轴的零件，在非常苛刻的高温和高转速下工作，是价值最高的关键零件。

所用材料为镍基高温合金，与一般钢铁材料有质的变化，合金中基本没有铁元素，除了镍（＞50%）以外，还有铬、钴、钼、铝、钛等十几种元素，高合金化程度势必带来均匀性控制方面的难度，因此冶炼锭型的扩大将会遇到极复杂的均匀性控制方面的难题，涡轮盘直径和厚度的扩大并非简单的尺寸放大，其铸造锭型的尺寸扩大涉及到从冶炼到控制一系列复杂的研究和试验，一般需要通过真空感应、电渣重熔和真空自耗等特殊冶炼工艺过程，来保证合金的纯净度和均匀度；锻造成型方面，由于合金含量高，变形极为困难，需要使用超大型锻压设备，通过“墩拔”、“模锻” 和热处理，获得理想的形状和组织。

近年来，我国因缺乏制备超大型涡轮盘的能力而在进口谈判中非常被动。

随着烟机功率的增大，涡轮盘直径尺寸需要扩大至1－1.5m（重量5吨左右），带之而来对涡轮盘的合金质量控制及制备过程工艺要求越来越高。

烟机的大型化导致涡轮盘的使用条件更加苛刻，从理论上讲，要求涡轮盘应该有更加优越的力学性能，但由于大型化带来的技术难题不容易克服，目前国内外常规GH864合金涡轮盘的综合性能无法同时达到高强度和高持久性能的考核指标，带来了设计和制造上的矛盾。

为了解决这一突出矛盾问题，必须在原有GH864合金的基础上研制优质高强的“超级GH864合金”。

从上面的分析可以看出，超大型烟机涡轮盘国产化研制主要涉及到的两个关键问题，即装备和技术。

目前国内冶金厂在冶炼设备上已经具备生产超大涡轮盘的硬件条件。

锻造方面由于中国二重集团已于2007年11月获得国家发改委建造800MN大型模锻压机项目的可行性批复（发改工业[2007]3097号），项目总投资15亿，建设周期2年半（建成后将成为现今世界上最大的水压机）。

据此，结合目前我国已经具备的300MN水压机，为国内超大型涡轮盘的国产化奠定了设备基础。

鉴于三十年来中国在烟机制造方面积累的丰富经验和科研合作力量，通过以企业为主、设计科研单位参加的研究攻关，一定能获得既有急需的市场又有很大难度的超大型涡轮盘的制备技术，实现国产化，迅速摆脱严重受制于国外的被动局面，保证国内能源生产的安全。

二、技术需求烟气轮机是高温、高速大型旋转机械，使用条件十分苛刻，在设计制造和使用方面难度很大。

20世纪70年代我国自主研制成功YL3000 型烟气轮机以来，已经生产了140余台，总台数为世界第一，单机功率与世界最大机型相当。

我国研制的33000kw烟机是国内最大功率的烟气轮机，于2003年应用于3000kt/a 重油催化裂化装置。

涡轮盘直径1380mm，材质为镍基高温合金GH864，用大直径（φ600mm）坯料来锻制。

由于当时我国的锻造设备能力不足，大于φ1120mm涡轮盘毛坯只能从美国进口。

根据对几批进口Waspaloy（即我国GH864）合金涡轮盘毛坯进行技术跟踪研究认为，虽然美国可以提供直径达1400mm的特大涡轮盘，但其性能指标并不稳定。

从国内近几年从美国进口的φ1380mm涡轮盘质量跟踪分析可以看出，在生产这种超大涡轮盘方面美国也出现过严重的技术问题，甚至第一批供货后，一些技术指标复检后未达到《5704G技术标准》要求而退货。

可见超大型涡轮盘的质量控制在美国也是一个技术难题，仍处在改进完善过程中。

对于我国而言，在超大型烟气轮机涡轮盘的制备方面存在两方面的关键问题，首先 “卡脖子”的是锻造设备问题，第二是技术问题。

大型锻压设备是生产航空大型模锻件，发展大型军民装备必需的基础设备。

现今美国、俄罗斯和法国分别拥有450MN、750MN和650MN水压机，它们是目前世界上最大吨位并仍在使用的模锻设备，使得这三个国家在航空航天石化产品方面居世界前列，在当今复杂的国际竞争中处于明显拥有战略武器装备的优势。

美、俄、法对大型锻件的制造技术视为核心机密，对我国军机锻件实行禁运或限制出口。

1974年，我国建成了300MN模锻水压机（主要用于有色金属），虽具备了一定的基本制造能力，但仅相当于美国、苏联、西欧50年代初所拥有的锻压装备能力。

在此背景下，早在2003年中国工程院成立了“发展我国大型锻压装备研究”咨询项目专家机构，并通过反复论证于2007年11月获得了国家发改委建造800MN模锻压机的可行性批复（见附件），项目建设周期2年半。

因此，针对本项目提出的锻造设备问题迎刃而解。

第二个关键问题为技术方面的研究和控制问题。

国产烟机涡轮盘的制备技术是完全依靠国内力量发展起来的。

在原石油部等上级主管部门组织领导和支持下，经过设计、研究、制造各方的共同努力，研究制定了涡轮盘研制开发和使用的原则及措施，合理选用20Cr3MoWV、GH2132、 GH864材料，特别是在GH864合金涡轮盘国产化过程中积累了成功的经验，满足了φ1100mm以下尺寸的需要。

由制造单位组织编写的《烟气轮机技术条件》国家行业标准中附有各种合金涡轮盘锻件技术条件。

烟机的大型化导致涡轮盘的使用条件更加苛刻，因此理论上要求涡轮盘要有更加优越的力学性能，来满足设计和使用要求。

但由于大型化带而来的问题过于复杂，常规的GH864合金涡轮盘无法同时达到各种考核指标的要求，性能指标不仅没有提高反而下降了。

为了解决这一矛盾，必须在原有GH864合金的基础上研制高强优质的超级GH864合金，修订和完善已有的技术条件。

为获得大尺寸并且纯净均匀的合金铸造锭型，需要在冶炼和控制方面进行一系列的研究和试验，研究和设计真空感应、电渣重熔和真空自耗等工艺，以及工艺设备等。

在锻压方面，φ1100mm以下的可用已有的300MN水压机制备，超过该直径的可用800MN模锻压机。

在装备条件可行的前提下，工艺技术研究规划和过程控制非常重要，因此，涡轮盘的锻、压和热处理是本项目研究的主要内容之一。

总之，从设备和技术两个方面国内已经具备了必要条件。

从设备方面看，特钢厂已经具备冶炼的条件（尽管技术上还需要大力投入），锻造方面800MN水压机建成后，直径在1.1米以上的涡轮盘受制于国外的局面将被扭转。

从技术方面看，有30年自行研制烟机涡轮盘的经验和业绩，有近几年与美国涡轮盘制造工厂进行的交流和积累，相信通过本项目的有效组织，经过系统的工艺和过程研究攻关，完全有能力为我国超大型烟机涡轮盘国产化提供装备工艺和技术规范体系，研制出合格的产品实物。

三、国内外研发进展90年代后，世界十大炼化公司(如美国埃克森美孚公司)有多套催化裂化装置加工能力超过3000kt/a，烟气轮机输出功率需要达到25∼37MW，30MW级特大功率烟气轮机的研制及工业化应用逐渐发展起来。

国内自主研制YL 型烟气轮机已近30年，但截至2002年，设计制造的烟气轮机最大功率仅为19MW, 最大的轮盘直径为φ1120mm。

2003年我国自行设计制造的YL33000A 型单级烟气轮机,功率为33MW，己在兰州石化300万t/年重催装置成功投入运行，这台烟气轮机是世界上最大的烟气轮机之一。

30MW级烟气轮机可以极大地降低加工成本,提高装置整体效益，满足我国炼油工业在“十一五”、“十二五”期间规模化、大型化建设和改造的需要。

近年来，国外烟气轮机制造厂着力于对产品的改进和完善,着眼于提高产品的可靠性和使用寿命, 虽然我国YL型烟气轮机在总结过去经验的基础上，也在不断的改进及完善，并已取得了丰硕的成果，在新设计和制造的烟气轮机上采用了多项新技术，装备上也已经取得了明显的提升，但是，与美国相比在某些方面还存在较大的差距。

虽然经过30多年的努力，我国已经能设计制造世界上最大型的烟气轮机，说明我们具有这方面的设计和制造能力。

但是，在烟气轮机关键部件——大型涡轮盘的制备技术上还有明显差距，以至于需要进口。

这是制约我国特大型烟气轮机发展的“瓶颈”。

从最近几年我国20000kw以上特大型烟机的应用情况看，已经有兰州、海南、青岛和钦州几家，其涡轮盘直径大都为φ1380mm，而大连35000kw烟机的涡轮盘达到φ1400mm。